Monolithische Integration von Gruppe III-Nitriden auf metallischem TiN: Neue Wege zu fortschrittlicher (Opto-)Elektronik

• Antragsteller: Dr. Philipp John
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568879259

Das Projekt „MINT“ zielt darauf ab, neuartige (opto-)elektronische Bauelemente auf Basis von Gruppe-III-Nitriden durch die Entwicklung einer vollständig epitaktischen Halbleiter-auf-Metall-Plattform zu demonstrieren. Leitfähige TiN-Dünnschichten dienen als integrierte Bodenelektroden zur Versorgung von GaN-basierten Mikro-Leuchtdioden (µ-LEDs) für neuartige Displayanwendungen sowie von epitaktischen AlN-basierten Bulk-Akustikwellenbauelementen für die Kommunikation jenseits von 5G. Dieses innovative Konzept reduziert den Prozess der Bauelementeherstellung hauptsächlich auf die Abscheidung des Oberflächenkontaktes, wodurch ein aktiver Bereich zwischen zwei Elektroden entsteht, der vertikal mit Strom versorgt wird. Im Betrieb sorgt die TiN-Bodenelektrode zusätzlich für eine effektive Wärmeableitung und Rückreflexion des emittierten Lichts. Um trotz der chemischen und strukturellen Unterschiede zwischen Metall und Halbleiter eine hohe kristalline Qualität des aktiven Bereichs zu gewährleisten, verwenden wir Molekularstrahlepitaxie, um GaN- und AlN-Nanodrähte ohne Strukturdefekte auf der temperaturstabilen TiN-Schicht zu züchten. Anschließend führt laterales Überwachsen durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung entweder zu hexagonalen µ-Plättchen oder vollständig koaleszierten GaN- und AlN-Schichten. Die mögliche Bildung von Strukturdefekten, wie z. B. Versetzungen oder Inversionsdomänen, wird durch detaillierte strukturelle und optische Untersuchungen der Halbleiter-Metall-Grenzfläche sowie der Koaleszenzgrenzen zwischen benachbarten Körnern aufgedeckt. Diese Informationen liefern wichtiges Feedback zur Optimierung der Wachstumsbedingungen und der Morphologie der Nanodrähte. Darüber hinaus werden mikrostrukturelle Untersuchungen der verarbeiteten Bauelemente den Einfluss solcher Defekte auf die Leistungsfähigkeit des Bauelements aufzeigen. In der letzten Projektphase untersuchen wir die Möglichkeit, flexible Bauelemente zu realisieren, indem wir die etablierten Wachstums- und Verarbeitungsprotokolle auf Graphen- und polykristalline Titanfolien als Substrate übertragen, wobei letztere potenziell eine Fertigung in sehr großem Maßstab ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerin: Dr. Ileana Florea